Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes

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1 Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes Theorie und Praxis der elektrochemischen Schutzverfahren Vierte, vollig neubearbeitete Auflage Herausgegeben von W v. Baeckmann und W Weinheim. New York. Chichester Brisbane. Singapore. Toronto

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3 Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes Herausgegeben von W. v. Baeckmann und W. Schwenk

4 Kathodischer Korrosionsschutz CKS Cathodischer Korrosionsschutz ur: erdverlegte Stahl-Rohrleitungen vermaschte Stadtnetze erdverlegte Tankbehalter 1 I0 kv-gasdruckkabel Spundwande Jnsere Leistungen: Untersuchungen Erstellen von Studien und Gutachten Planung und Emchtung von KKS-Anlagen Planung und Emchtung von Tiefenanoden Storstellenortungen lntensivmessungen Nach- und Uberwachungsmessungen Bau von KKS-Gleichrichtem Streustromuntersuchungen und Erstellung von Schutzkonzepten WSC - EWA Wechselstromkompensationsanlagen und Einwegableitungen zum Schutz gegen Wechselstromkorrosion durch induzierte Spannungen aus: Hochspannungsfreileitungen Bahnstromanlagen Unsere Leistungen: Untersuchungen nach DIN auf Wechselstromdichte und Rohrleitungspotential (AC) - Planung und Enichtung von WSC- und EWA-Anlagen Inbetriebnahme und Ubenvachung von WSC- und EWA- Anlagen Fordern Sie unser Info-Material an: MARTIN GmbH Werksstr Hattingen Tel.: Fax: info@martin-grnbh.de DVGW-Bescheinigung nach GW 11

5 Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes Theorie und Praxis der elektrochemischen Schutzverfahren Vierte, vollig neubearbeitete Auflage Herausgegeben von W v. Baeckmann und W Weinheim. New York. Chichester Brisbane. Singapore. Toronto

6 4.. Dipl.-Phys. W. v. Baeckmann UlmenstraBe Essen Prof. Dr. W. Schwenk ScheffelstraBe Duisburg Das vorliegende Werk wurde sorgfsltig erarbeitet. Dennoch ubernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag fur die Richtigkeit von Angaben, Hinweiren und Ratschlagen sowie fur eventuelle Druckfehler keine Haftunp. I. Autlage 1971, Nachdruck der I. Autlage vtillig neubearheitete Auflage vdlig neubearbeitete Auflage viillig neubearbeitete Auflage 1999 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes : Theorie und Praxis der elektrochemischen Schutzverfdhren I hrsg. von W. v. Baeckmann... ~ verand. Aufl. - Weinheim ; New York ; Chichester ; Brisbane : Singapore : Toronto : Wiley-VCH, 1999 ISBN WILEY-VCH Verlag GmbH. D Weinheim (Federal Republic of Germany), 1999 Gedruckt auf sliurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Alle Rechte, insbesondere die der Ubersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form - durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren - reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen. verwendhare Sprache iibertragen oder iibersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen. Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme. dar diese von jedermann frei benutzt werden durfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzliche geschutzte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form - by photoprinting, microfilm, or any other means - nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names, trademark\. etc. used in this book. even when not specifically marked as such. are not to be considered unprotected by law. SatL und Druck: Konrad Triltsch, Druck- und Verlagsanstalt GmbH, D Wurzburg Bindung: GroRbuchbinderei J. Schaffer, D Grunstadt Printed in the Federal Republic of Germany

7 Vorwort zur vierten Auflage Wie bei den vorhergehenden Auflagen Iiegt wiederum nach etwa 10 Jahren eine teilweise vollig uberarbeitete Neuauflage vor. Im wesentlichen wurde aber das Gerust der 3. Auflage mit den 24 Kapiteln unverandert beibehalten. Einige anwendungsbezogene Abschnitte wurden stark gekurzt, um Platz fur neue Erkenntnisse zu schaffen. Die einleitenden Grundlagenkapitel und die Kapitel uber Rohrleitungen und Streustrombeeinflussung wurden vollig uberarbeitet oder erganzt. Bei allen Kapiteln wurde der Bezug auf Normen und Regelwerke, insbesondere auch die internationale Normung, auf den letzten Stand gebracht. Durchgehend wurden bei allen Kapiteln Uberarbeitungen und Textbegradigungen vorgenommen. Bei den Grundlagen der elektrochemischen Korrosion und der Erdbodenkorrosion wurden - entsprechend den neueren Erkenntnissen - die Abschnitte uber Korrosion unter RiBbildung und uber Wechselstrom-Korrosion erganzt. Die Grundlagen der MeBtechnik wurden erheblich ausgeweitet, wobei neben der IR-freien Potentialmessung vor allem die verschiedenen Arten der Vergleichsmessungen beschrieben werden. Wird bei der Intensivmeljtechnik letztlich nur der Fehler der Potentialmessung minimiert, so liegt bei den Vergleichsmessungen ein vollig neuartiges Konzept vor, das mit Hilfe von Systemparametern die Schutzbarkeit eines lokalen Schutzobjekt-Bereiches pruft. Entsprechend wurden auch die Folgerungen der neuen MeBtechnik fur die Anwendung bei Rohrleitungen ausfuhrlich beschrieben und mit Fallbeispielen erlautert. Neben den Ausfuhrungen uber den Nachweis der ausreichenden kathodischen Schutzwirkung werden auch SchutzmaBnahmen gegen Wechselstrombeeinflussung eingehend behandelt. Beim elektrochemischen Innenschutz - im wesentlichen als Schutz-MaBnahme bei Apparaten und Behaltern bekannt - wurden neuere Anwendungen nunmehr auch bei Anlagen mit Rohrleitungen beschrieben. Die Herausgeber danken allen Mitarbeitern, die teils schon bei den Vorauflagen beteiligt waren und teils dem Nachwuchs angehoren, fur ihre Muhe und dem Verlag fur das bewahrte fordernde Entgegenkomrnen bei der Gestaltung und Herausgabe dieses Handbuches. Duisburg, im Sommer 1999 W. v. BAECKMANN W. SCHWENK

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9 Vorwort zur ersten Auflage Entdeckung und Gebrauch metallischer Werkstoffe am Ende der Steinzeit zahlen zu den wichtigsten Voraussetzungen fur die Entwicklung der heutigen Technik. Leider sind die meisten Gebrauchsmetalle nicht immer und uberall genugend bestandig. In einer ungunstigen Umgebung konnen sie mehr oder weniger schnell durch Korrosion zerstort werden. Die Untersuchung derartiger Korrosionsreaktionen sowie der Verfahren, mit denen sich Metalle vor Korrosionsangriffen schutzen lassen, ist eine Aufgabe von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung. Wissenschaftlich konnen die Vorgange beim kathodischen Korrosionsschutz exakter erfabt werden als bei anderen Schutzverfahren. Bei der Metallkorrosion in wabrigen Losungen oder Boden handelt es sich im Prinzip um einen elektrolytischen Vorgang, der durch eine elektrische Spannung - das Potential des Metalls in der Elektrolytlosung - gesteuert wird. Bei einer Verringerung des Potentials mub nach den Gesetzen der Elektrochemie die Reaktionsaffinitat und damit auch die Reaktionsgeschwindigkeit abnehmen. Obwohl diese Zusammenhange seit mehr als hundert Jahren bekannt sind und der kathodische Schutz vereinzelt auch schon sehr fruh praktiziert wurde, hat die Verbreitung seiner technischen Anwendung sehr lange auf sich warten lassen. Man ist geneigt anzunehmen, dab das kathodische Schutzverfahren in manchen Bereichen als zu fremd empfunden wurde und dab die erforderlichen elektrotechnischen Uberlegungen von seiner praktischen Anwendung abhielten. Im Vergleich zu den theoretischen Grundlagen ist die Praxis des kathodischen Schutzes in der Tat wesentlich komplizierter. Uber viele Einzelprobleme und Anwendungsbeispiele gibt es inzwischen eine umfangreiche fremdsprachige Fachliteratur. Da ein zusammenfassendes Werk in deutscher Sprache uber den derzeitigen Stand der Kenntnisse bisher nicht vorlag, war es fur den Praktiker recht muhsam, sich in dieses Fachgebiet einzuarbeiten. Der DVGW-Fachausschufl fur Korrosionsfragen hat deshalb die Herausgabe dieses Handbuches uber den kathodischen Schutz angeregt und eine Reihe seiner Mitglieder haben sich dankenswerterweise als Autoren einzelner Kapitel zur Verfugung gestellt. In diesem Handbuch wird vorwiegend die Praxis des kathodischen Schutzes behandelt, aber auch die Grundlagen und Nachbargebiete werden besprochen, soweit sie fur ein moglichst umfassendes Verstandnis des kathodischen Schutzes notwendig sind. Einleitend hielten wir eine historische Ubersicht fur nutzlich, um den technischen Werdegang des Schutzverfahrens darzulegen. Im anschliebenden Kapitel werden die erforderlichen theoretischen Grundlagen der Metallkorrosion und des Korrosionsschutzes behandelt. Mit Absicht werden verschiedene Werkstoff/Medium-Paarungen dargestellt, um die vielfaltigen Einsatzmoglichkeiten elektrochemischer Schutzverfahren zu verdeutlichen.

10 VIII Vorwort zur ersten Auflage Zur Zeit wird der kathodische Korrosionsschutz nur im Bereich naturlicher Wasser und Boden allgemein angewandt. Fur die Zukunft sind aber auch bei industriellen Anlagen und Behaltern Anwendungsmoglichkeiten zu sehen. Daher wurde ein Kapitel uber den anodischen Schutz aufgenommen, der erst in den letzten zehn Jahren vereinzelt praktiziert wird. Kathodischer und anodischer Schutz sind im Prinzip sehr iihnliche Verfahren und rechtfertigen den Begriff elekfrnchemischer Schurz im Untertitel des Buches. In den meisten Anwendungsfallen wird der kathodische Schutz mit einem passiven Schutzsystem, einer Beschichtung, kombiniert. Wegen der hierbei moglichen mannigfaltigen Wechselwirkungen erschien auch die Behandlung passiver Schutzverfahren notwendig. Ferner wurde ein Kapitel uber allgemeine MeBtechnik eingefugt, da sich gerade in der Praxis des kathodischen Schutzes immer wieder zeigt, wie wichtig ein sorgfaltiges Durchdenken der MeBprobleme ist. Es erfordert Erfahrung, mogliche Fehlerquellen einzukalkulieren, und es ist notwendig, uberraschende MeBergebnisse stets durch eine unabhangige Kontrollmessung zu uberprufen. MeBprobleme spielen auch eine besondere Rolle bei Fremdstromanlagen, bei denen man sich vergegenwartigen mu13, dab eine falsch gepolte Anlage stets intensive Korrosion erzeugt. Sie ist sogar gefghrlicher als ein unterlassener oder ausgefallener Korrosionsschutz. In den weiteren Kapiteln werden ausfuhrlich Eigenschaften und Anwendung galvanischer Anoden, kathodischer Schutzgleichrichter einschlieblich der besonderen Geriite fur den Streustromschutz und von Fremdstromanoden erortert. Als Anwendungsgebiete werden behandelt: erdverlegte Rohrleitungen, Lagerbehalter, Tankliiger, Fernmelde-, Starkstrom- und Druckgaskabel, Schiffe, Hafenanlagen und der Innenschutz von Brauchwasser- und Industrieanlagen. Ein besonderes Kapitel befafit sich mit dem Problem hochspannungsbeeinfluflter Rohrleitungen und Kabel. Eine Betrachtung uber Kosten und wirtschaftliche Gesichtspunkte bildet den AbschluB. In einem Anhang haben wir Ubersichts-Tabellen und mathematische Ableitungen zusammengestellt, soweit sie uns fur die praktische Anwendung und Vervollstandigung des Buches wichtig erschienen. Die Herausgeber danken allen Mitarbeitern fur ihre Muhe, der Ruhrgas AC und der Mannesmann-Forschungsinstitut GmbH fur freundliche Unterstutzung sowie dem Verlag Chemie fur grobzugiges Entgegenkommen bei der Herdusgabe und Gestaltung des Handbuches. Essen und Duisburg, im Fruhjahr 1971 W. v. BAECKMANN W. SCHWENK

11 Inhalt 1 Historische Entwicklung des elektrochemischen Korrosionsschutzes. 1 W. v. BAECKMANN 1.1 Geschichte des kathodischen Schutzes Entwicklung des Streustromschutzes Entwicklung der Passivitat und des anodischen Schutzes I. 4 Korrosionsschutz durch Beschichtungen und Umhullungen I. 5 Korrosionsschutz durch Information Literatur Grundlagen und Begriffe der Korrosion und des elektrochemischen Korrosionsschutzes. W. SCHWENK Was sind Korrosionsvorgange. Korrosionsschaden und SchutzmaRnahmen? Elektrochemische Korrosion Die metallischen Werkstoffe Die waljrigen Elektrolytlosungen Elektrochemische Phasengrenzreaktionen Thermodynamische Grundlagen Elektrochemische Kinetik Mischelektroden Homogene Mischelektroden Heterogene Mischelektroden und Elementbildung Bemerkungen zur Stromverteilung Die Potentialabhangigkeit von KorrosionsgroBen Nahezu gleichformiger Flachenabtrag Flachenkon-osion aktiver Metalle Flachenkorrosion passiver Metalle Lochkorrosion SpannungsriRkorrosion... 47

12 X Inhalt Wasserstoff-induzierte RiBkorrosion SchwingungsriBkorrosion (Korrosionsermudung) Dehnungsinduzierte Riljkorrosion Anwendungsgrenzen fur elektrochemische Schutzverfahren Zusammenstellung von Schutzpotentialen bzw. -bereichen Literatur GrundlagenundPraxisderelektrischenMentechnik W. v. BAECKMANN. J. GEISER und W. SCHWENK 3. I Die elektrischen MeBgroRen: Strom. Spannung und Widerstand Bezugselektroden Die Potentialmessung und Schutzkriterien Schutzobjekte rnit einer oder rnit gleichen FehlsteIlen Schutzobjekte rnit mehreren unterschiedlichen Fehlstellen IntensivmeBtechnik I Grundlagen und MeRgroBen der IntensivmeBtechnik Durchfuhrung einer Intensivmessung Fehlerquellen bei der Intensivmessung Potentialvergleichsmessung rnit externer MeRprobe Polarisation-Vergleichsmessungen Pragmatische Schutzkriterien Potentialmessung in der Anwendung I MeBgerate und ihre Eigenschaften Potentialmessungen an Rohrleitungen und Behaltern Potentialmessung bei Streustrom-Beeinflussung Potentialmessung bei WechselstromeinfluB Die Strommessung Allgemeine Hinweise fur Strommessungen Die Rohrstrom-Messung Die Messung der Schutzstromdichte und des Umhullungswiderstandes Die Widerstandsmessung WiderstandsmeBgerate Messung des spezifischen Bodenwiderstandes Messung des Ausbreitungswiderstandes Fehlerortung Fehlerortung bei Rohrleitungen Messung von Fremdkontakten I Ortung mit Gleichstrom Ortung mit Wechselstrom

13 Inhalt XI Ortung heterogener Oberflachenbereiche durch Feldstiirkemessungen Ortung von Lokalanoden Ortung von Umhiillungsschaden Ferniiberwachung des kathodischen Schutzes Schutzkriterien und MeBgroljen bei Wechselstrom-Belastung Literatur Korrosion in Wassern und Erdboden... TH. HEIM und W. SCHWENK Wirkung der Korrosionsprodukte und Korrosionsarten Beurteilung der Korrosionswahrscheinlichkeit unbeschichteter Metalle Korrosion in Boden Korrosion in Wassern Korrosion bei anodischer Beeinflussung durch Elementbildung oder Streustrome aus Gleichstromanlagen Korrosion durch Wechselstrombeeinflussung Korrosion in Spalten und unter loser Beschichtung Literatur Beschichtungen und Uberzuge fur den Korrosionsschutz TH. HEIM und W. SCHWENK 5.1 Zweck und Arten des passiven Korrosionschutzes Organische Beschichtungen Mortelbeschichtungen iiberziige Metallische Uberziige Eigenschaften organischer Beschichtungen Elektrische und elektrochemische Eigenschaften Ubersicht der Reaktionsarten Umhiillungswiderstande und Schutzstrombedarf Kathodische Wirksamkeit und Elementbildung Elektrochemische Blasenbildung und Elektroosmose Kathodische Unterwanderung Physikalisch-chemische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Grenzen der Schutzwirkung organischer Beschichtungen

14 XI1 lnhalt 5.3 Eigenschaften von Zementmortel und Beton I Korrosion des Mortels... i Korrosion des Stahls im Mortel Eigenschaften von uberzugen Eigenschaften von metallischen uberzugen Literatur Galvanische Anoden G. FRANKE und B. RICHTER 6.I Allgemeine Hinweise Strominhalt galvanischer Anoden Stromabgabe galvanischer Anoden Anodenmaterialien Eisen Zink Aluminium Magnesium Bettungsmassen Halterungen Anodenformen Stabanoden Platten- oder Blockanoden Tankanoden Offshore-Anoden Sonderformen Qualitats-und Eignungspriifung Vor- und Nachteile galvanischer Anoden Literatur Fremdstrom-Anoden D. FUNK 7. I Allgemeine Hinweise Anodenmaterialien I Massivanoden Edelmetalle und Edelmetall-beschichtete Ventilmetalle Metalloxid-beschichtete Ventilmetalle Kunststoff-Kabelanoden

15 Inhalt XI Isolierstoffe Kabel Anodenformen I Anoden fur Erdbodenverlegung Anoden fur Wasser Anoden fur den Innenschutz Literatur Fremdstrom-Anlagen und Schutzstrom-Gerate. W. v. BAECKMANN und W. VESPER Standort und elektrische Schutzmahahmen Auslegung und Schaltung der Schutzstrom-Gerate Gleichrichter-Schaltung Einstellbare Schutzstrom-Gerate Hochspannungsfeste Schutzstrom-Gerate Regelnde Schutzstrom-Gerate Netzunabhangige Schutzstrom-Gerate Ausriistung und Uberwachung von Schutzstrom-Geraten Literatur Fremdstromanoden-Anlagen im Erdboden und Beeinflussungsfragen W. v. BAECKMANN. J. GEISER und W. VESPER Fremdstromanoden-Anlagen Durchgehende horizontale Anodenanlagen Einzelanoden- Anlagen Tiefenanoden-Anlagen Beeinflussung fremder Rohrleitungen und Kabel BeeinflussungdurchdenSpannungstrichterderAnoden Beeinflussung durch den kathodischen Spannungstrichter des Schutzobjektes Aufhebung der Beeinflussung Literatur